铝锂合金的发展历程
1983年在巴黎国际航空博览会上,世界上两家最大的铝合金生产企业——英国阿尔康铝业公司和美国阿尔考铝业公司,同时宣布研制成功新的革命性材料——铝锂合金。专家们认为,铝锂合金是从1943年发明铝锌系高强合金以来,铝合金研究和开发的又一个里程碑。
其实,铝锂合金并不是个新鲜概念。对这种材料的认识经历了相当长的时间。由于锂的比重小,在铝中的溶解度高,长期以来人们就把锂看作铝的亲密合作伙伴。早在本世纪20年代,科技工作者就对铝锂合金进行过许多评论。1924年,德国研制成功一种工业铝锂合金——司克龙。这是一种仅含0.1%锂的铝锌合金。它的机械性能比当时盛行的铝镁合金——杜拉铝要稍好一些。由于当时杜拉铝已得到公认,所以影响了司克龙合金应受到的广泛重视。1943年,高强度的铝锌镁铜合金问世,再一次低估了铝锂合金的工业价值。1957年,英国研制成功了含锂1.1%的X-2020铝合金。这种合金用于美国舰载超音速攻击机的机翼和水平尾翼的蒙皮上,取代原设计中的铝合金后,RA-5C飞机的重量减轻6%。原苏联的科技工作者同时也研制出了一种含锂2%的铝合金。又经过10年徘徊,到1967年发生了世界范围的能源危机后,各国又重新开始大规模研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的发展,使含锂量更大、比重更小、强度更高的铝锂合金的出现成为可能。据认为,目前许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。可以预料,随着材料科学的发展,将有越来越多的新型合金进入航空航天业、各个工业部门及千家万户。
175℃。铝锂合金是航空航天技术的重要基础,航空航天技术的发展又不断对材料科学提出新的问题和要求。该材料形成的温度是175℃。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。
首先,Al在负极地电位时会形成锂铝合金,也就是说Al在负极时会嵌锂。同样,Cu在正极,高电位会被氧化。所以选择这两种金属主要考虑到其在不同电位的稳定性。
当然,也有一些金属,比如Ti,既可以做正极集流体也可以作为负极集流体。但是Ti的成本是比较高的,也比较难以加工的很薄。
除了稳定性之外,还需要考虑到材料的电导率、是否能够加工的较薄、以及力学强度、成本等因素。最终选择了Cu和Al。
铝锂电池抗腐蚀能力强是因为铝在空气中易氧化在表面形成一层致密的氧化膜,可以阻挡反应进行。并且铝的还原性(即失电子能力)强于锂,故在空气中总是先铝反应,生成氧化膜后里面的锂就不会失去电子反应了。
热处理对铝锂合金在NaCl水溶液中腐蚀行为有影响。
铝合金以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰,次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金分两大类:铸造铝合金,变形铝合金, 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能,它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金,铝铜合金,铝镁合金,铝锌合金和铝稀土合金,其中铝硅合金又有简单铝硅合金(不能热处理强化,力学性能较低,铸造性能好),特殊铝硅合金(可热处理强化,力学性能较高,铸造性能良好),铝合金压力加工产品分为防锈、硬质、锻造,超硬,包覆,特殊及钎焊铸造铝合金(ZL)按成分中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类。
其次,铝本身比较活泼,在低电位下,铝会出现嵌锂,生成锂铝合金,不宜作为负极的集流体。如果使用铝箔作为负极的集流体,铝会和锂形成合金,然后粉化,严重影响电池的寿命和性能。
最后,铜在高电位下容易氧化,不宜作为正极的集流体,铜表面的氧化层属于半导体,电子导通,氧化层太厚时,阻抗会增加。同时锂不会与同在地点为下形成嵌锂合金。